2024年度有機化學第三章立體化學基礎(chǔ)

有機化學第三章立體化學基礎(chǔ)12024/3/24CONTENTS立體化學基本概念手性分子與手性中心對稱性與對稱操作立體異構(gòu)體分類與命名立體化學在有機合成中應用立體化學在藥物設計中的重要性22024/3/24立體化學基本概念0132024/3/24具有相同的分子式、相同的連接順序，但在三維空間中具有不同的排列方式的化合物。根據(jù)異構(gòu)體之間在三維空間中的差異，可分為構(gòu)型異構(gòu)和構(gòu)象異構(gòu)。立體異構(gòu)體在生物活性、藥物設計、材料科學等領(lǐng)域具有廣泛的應用。立體異構(gòu)體的定義立體異構(gòu)體的分類立體異構(gòu)現(xiàn)象的重要性立體異構(gòu)現(xiàn)象42024/3/24一個物體不能通過旋轉(zhuǎn)和平移操作與其鏡像完全重合的性質(zhì)。一個物體可以通過旋轉(zhuǎn)和平移操作與其鏡像完全重合的性質(zhì)。手性是對稱性的一個特例，即沒有對稱中心或?qū)ΨQ面的物體具有手性。手性化合物在生命體系中具有重要的作用，如氨基酸、糖類等。手性的定義對稱性的定義手性與對稱性的關(guān)系手性在化學中的應用手性與對稱性52024/3/24分子中原子或基團在空間的相對位置關(guān)系。構(gòu)型的定義分子中原子或基團圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的不同空間排列方式。構(gòu)象的定義構(gòu)型是分子中原子或基團的固定排列方式，而構(gòu)象是分子在不同條件下的動態(tài)變化。構(gòu)型與構(gòu)象的關(guān)系不同的構(gòu)型和構(gòu)象會影響化學反應的速率和選擇性。構(gòu)型與構(gòu)象在化學反應中的應用構(gòu)型與構(gòu)象62024/3/24手性分子與手性中心0272024/3/24具有旋光性手性分子特點手性分子定義：不能與其鏡像重合的分子稱為手性分子。存在手性中心對映異構(gòu)體具有不同的物理和化學性質(zhì)手性分子定義及特點010302040582024/3/24020401手性中心定義：連接四個不同基團或原子的碳原子稱為手性中心。手性中心判斷方法使用Cahn-Ingold-Prelog規(guī)則（CIP規(guī)則）進行判斷。03觀察碳原子連接的四個基團或原子是否相同，若不相同則為手性中心。手性中心識別與判斷777792024/3/2403Newman投影式沿碳-碳鍵的鍵軸方向觀察，將碳原子和與之相連的基團放在紙平面上，其他基團則豎立在紙平面上。01Fischer投影式將碳鏈豎直表示，橫前豎后，橫向基團朝右，縱向基團朝上。02透視式將碳鏈放平，基團朝向觀察者方向。手性分子表示方法102024/3/24對稱性與對稱操作03112024/3/24對稱中心（C）對稱面（σ）對稱軸（i）旋轉(zhuǎn)反演軸（S?）對稱元素及類型一個點，通過該點的任意直線兩端等距離處，有相同但不重合的兩個點或圖形。一條直線，分子繞此軸旋轉(zhuǎn)180°后與原分子重合。一個平面，將分子分為互為鏡像的兩個部分。一條直線和一個點，分子繞此軸旋轉(zhuǎn)360°/n后，再通過該點進行反演，所得分子與原分子重合。122024/3/24對稱操作定義及實例對稱面操作（σ）將分子沿對稱面進行反射，得到與原分子重合的鏡像。對稱中心操作（C）通過對稱中心的任意點或圖形，找到其對稱點或圖形。恒等操作（E）不改變分子的任何操作，即分子本身。對稱軸操作（i）將分子繞對稱軸旋轉(zhuǎn)180°，得到與原分子重合的圖形。旋轉(zhuǎn)反演軸操作（S?）將分子繞旋轉(zhuǎn)反演軸旋轉(zhuǎn)360°/n后，再通過反演點進行反演，得到與原分子重合的圖形。132024/3/24具有對稱面或?qū)ΨQ中心的分子是非手性的，而不具有這些對稱元素的分子可能是手性的。判斷分子的手性預測分子的物理和化學性質(zhì)分析分子的構(gòu)型和構(gòu)象推導反應機理對稱性可以影響分子的偶極矩、極化率、光譜性質(zhì)等物理性質(zhì)，以及反應活性、選擇性等化學性質(zhì)。通過對稱性可以判斷分子的構(gòu)型和構(gòu)象是否穩(wěn)定，以及不同構(gòu)型和構(gòu)象之間的能量差異。對稱性可以幫助推導某些反應的機理，例如周環(huán)反應中的對稱性允許和對稱性禁阻規(guī)則。對稱性在立體化學中應用142024/3/24立體異構(gòu)體分類與命名04152024/3/24由于原子或基團在空間排列方式不同而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。包括順反異構(gòu)、對映異構(gòu)等。構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)光學異構(gòu)由于單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的不同空間排列的異構(gòu)現(xiàn)象。如乙烷的交叉式與重疊式構(gòu)象。具有旋光性的手性分子，由于與其鏡像不能重合而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。如對映異構(gòu)體。030201立體異構(gòu)體分類方法162024/3/24

各類立體異構(gòu)體命名規(guī)則順反異構(gòu)體命名根據(jù)基團在雙鍵或環(huán)上的相對位置進行命名，順式異構(gòu)體中相同基團位于同側(cè)，反式異構(gòu)體中相同基團位于異側(cè)。對映異構(gòu)體命名采用Cahn-Ingold-Prelog（CIP）規(guī)則進行命名，確定手性碳上各基團的優(yōu)先順序，然后根據(jù)基團在空間中的排列方式進行命名。構(gòu)象異構(gòu)體命名根據(jù)分子中原子或基團的空間排列方式進行命名，如交叉式構(gòu)象、重疊式構(gòu)象等。172024/3/24實例分析：命名練習1.（Z）-2-丁烯表示2-丁烯的順式異構(gòu)體，其中兩個甲基位于雙鍵的同側(cè)。2.（E）-2-丁烯表示2-丁烯的反式異構(gòu)體，其中兩個甲基位于雙鍵的異側(cè)。3.（R）-2-羥基丙酸表示2-羥基丙酸的右旋對映異構(gòu)體，其中羥基、羧基和甲基按照CIP規(guī)則確定的優(yōu)先順序排列。4.（S）-2-羥基丙酸表示2-羥基丙酸的左旋對映異構(gòu)體，其中羥基、羧基和甲基按照CIP規(guī)則確定的優(yōu)先順序排列。182024/3/24立體化學在有機合成中應用05192024/3/24通過引入手性輔劑，在反應中形成手性環(huán)境，從而控制產(chǎn)物的立體構(gòu)型。利用手性催化劑，在反應中實現(xiàn)對底物的不對稱活化，進而控制產(chǎn)物的立體構(gòu)型。通過動力學拆分外消旋體，得到單一構(gòu)型的產(chǎn)物。利用手性輔劑利用不對稱催化利用動力學拆分立體選擇性合成策略202024/3/24立體專一性反應定義立體專一性反應是指在反應過程中，底物的立體構(gòu)型在產(chǎn)物中得到保持的反應。立體專一性反應原理立體專一性反應通常涉及到底物中特定官能團的空間排列，這種排列在反應過程中保持不變，從而保證了產(chǎn)物的立體構(gòu)型。立體專一性反應應用立體專一性反應在有機合成中具有廣泛的應用，如烯烴的順反異構(gòu)化、羰基化合物的還原等。立體專一性反應原理及應用212024/3/24實例一烯烴的順反異構(gòu)化。在烯烴的順反異構(gòu)化反應中，通過控制反應條件，可以選擇性地得到順式或反式產(chǎn)物。例如，利用特定的催化劑和溶劑，可以實現(xiàn)烯烴的高效順反異構(gòu)化。實例二羰基化合物的還原。在羰基化合物的還原反應中，通過選擇合適的還原劑和反應條件，可以控制產(chǎn)物的立體構(gòu)型。例如，利用手性還原劑可以實現(xiàn)羰基化合物的不對稱還原，得到具有特定立體構(gòu)型的醇類產(chǎn)物。實例三手性藥物的合成。手性藥物是指具有手性中心的藥物分子。在合成手性藥物時，需要利用立體化學原理來控制產(chǎn)物的立體構(gòu)型。例如，通過引入手性輔劑或利用不對稱催化等方法，可以實現(xiàn)手性藥物的高效合成。實例分析：有機合成中立體化學問題222024/3/24立體化學在藥物設計中的重要性06232024/3/24手性藥物的兩個對映異構(gòu)體可能具有不同的生物活性，其中一個可能具有治療效果，而另一個可能無效或有毒。手性藥物通過與生物體內(nèi)的靶標分子（如受體、酶等）發(fā)生立體選擇性相互作用，從而產(chǎn)生藥理作用。藥物活性與手性關(guān)系手性藥物的藥理作用手性對藥物活性的影響242024/3/24預測對映異構(gòu)體的活性通過理論計算或?qū)嶒炇侄危A測兩個對映異構(gòu)體的生物活性，以選擇具有潛在治療效果的對映異構(gòu)體進行后續(xù)研究。合成與分離手性藥物在藥物合成過程中，需要采取適當?shù)暮铣刹呗院头蛛x技術(shù)，以獲得所需的對映異構(gòu)體的純品。確定手性中心在藥物設計中，首先需要確定分子的手性中心，即存在不對稱碳原子的位置。藥物設計中手性考慮因素252024/3/24沙利度胺（Thalidomide）沙利度胺是一種具有免疫調(diào)節(jié)和抗炎作用的藥物，其分子中存在一個手性中心。研究表明，沙利度胺的（R）-對映異構(gòu)體具有治療效果，而（S）-對映異構(gòu)體則具有致畸作用。因此，在藥物合成和質(zhì)量控制過程中，需要嚴格控制（R）-對映異構(gòu)體的純度和含量。